Entendendo o Controle PWM e Aplicando no Franzininho C0

Introdução

A técnica de Modulação por Largura de Pulso (PWM) é fundamental para o controle de dispositivos eletrônicos, como motores e LEDs. No contexto dos microcontroladores, o PWM se destaca por sua eficiência e precisão, sendo amplamente utilizado em aplicações que exigem controle de velocidade, intensidade luminosa, entre outros. Este artigo aborda o conceito de PWM e sua aplicação prática utilizando o microcontrolador Franzininho C0. 

Através deste tutorial, você aprenderá a configurar e utilizar o PWM no STM32, explorando suas principais características e modos de operação, com foco no controle de LEDs. Vamos detalhar o funcionamento do PWM, sua configuração no ambiente STM32CubeIDE e como aplicar esses conhecimentos em um projeto prático.

O que é PWM?

PWM (Modulação por Largura de Pulso) é uma técnica usada para controlar a duração de sinal que está ligado ou desligado. Essa técnica é essencial para controlar dispositivos como motores e LEDs. 

Componentes Principais do PWM

1. Ciclo de Trabalho (Duty Cycle): É a porcentagem do tempo em que o sinal PWM permanece LIGADO durante um período completo. Por exemplo, um ciclo de trabalho de 50% significa que o sinal está ligado pela metade do tempo e desligado pela outra metade.

2. Frequência: É a velocidade com que o sinal PWM alterna entre LIGADO e DESLIGADO. É medida em Hertz (Hz).

3. Resolução: Refere-se ao número de bits usados para representar o ciclo de trabalho. Maior resolução significa mais níveis de controle entre 0% e 100% do ciclo de trabalho.

Fórmulas Básicas

• Frequência PWM:

• Ciclo de Trabalho PWM:

Modo PWM no STM32

Como discutimos no tutorial sobre TIMERS (https://embarcados.com.br/franzininho-c0-aprenda-a-trabalhar-com-timers/), os temporizadores do STM32 podem operar em vários modos, incluindo o modo PWM.  Seu funcionamento segue as etapas:

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1. O temporizador conta até um valor predefinido no registro de auto-reload (ARR).
2. Quando a contagem atinge o ARR, o pino de saída do canal é colocado em nível ALTO.
3. O pino de saída permanece ALTO até que a contagem atinja o valor do registro de captura/comparação (CCR).
4. Quando a contagem atinge o valor do CCR, o pino de saída é colocado em nível BAIXO.
5. Este ciclo se repete continuamente.

A forma de onda resultante é o sinal PWM. A frequência do PWM é determinada pelo relógio interno, pelo preescaler e pelo valor do ARR. O ciclo de trabalho é determinado pelo valor do CCR.

Estrutura dos Canais de Saída PWM no STM32

Cada canal de captura/comparação nos temporizadores STM32 possui:

1. Registro de Captura/Comparação (CCR): Armazena o valor para comparação.
2. Estágio de Entrada: Inclui filtros digitais e preescaladores.
3. Estágio de Saída: Gera a forma de onda PWM.

Observe o diagrama abaixo

Fórmulas para STM32

• Frequência PWM:

• Ciclo de Trabalho PWM:

• Resolução PWM:

Modos PWM no STM32 

A geração do sinal PWM pode ser feita de diferentes modos, sendo os modos alinhado à borda e alinhados ao centro mais usados.

1. Modo alinhado à borda: 

• No modo alinhado à borda, o PWM começa a contagem do início (borda) do período e conta até o valor definido no ARR.
• A transição de BAIXO para ALTO (ou vice-versa) acontece sempre nas bordas do ciclo de contagem, ou seja, no início ou no final do ciclo.
• É o modo mais simples e comum de PWM podendo ser configurado como contagem crescente ou decrescente.

2. Modo alinhado ao centro:

• No modo alinhado ao centro, também conhecido como modo de contagem para cima e para baixo, o temporizador conta até o valor do ARR e depois conta para trás até zero.
• A transição de nível (ALTO para BAIXO ou BAIXO para ALTO) ocorre no meio do ciclo, o que pode resultar em menos ruído e interferência em aplicações sensíveis.
• Esse modo é útil quando uma saída simétrica e menos ruidosa é desejada.

Controle PWM na Franzininho C0

Neste exemplo, vamos controlar os LEDs conectados aos pinos PB6 e PB7 conforme o pinout da Franzininho C0 mostrado abaixo. Utilizaremos  PWM para que o brilho dos LEDs seja ajustado gradualmente. O PWM será configurado com uma frequência de 1 kHz e uma largura de pulso variando de 0 a 1000.

Calculando valor Prescaler:

Antes de iniciar a configuração no CubeMX, podemos calcular o valor do Prescaler necessário. Utilizando a fórmula da frequência PWM, podemos determinar o valor do parâmetro Prescaler. Considerando que vamos usar uma frequência de PWM de 1 kHz e escolher o valor de ARR como 48, é importante selecionar um valor que seja múltiplo da frequência do clock, que no nosso caso é 48 MHz.

Configurando CubeMX:

1. Abra STM32Cube , crie um novo projeto e selecione o microcontrolador de destino “STM32C011F6P6”. 

2. Vá para a página de configurações de relógio e em HCLK digite 48 MHz para a frequência de saída desejada do sistema. Pressione a tecla “Enter”, depois volte para a página de configuração dos pinos, selecione “Trace and Debug” e  habilite “Serial Wire.

3. Clique sobre o pino “PB6” e selecione “TIM1_CH3”.

4. Clique sobre o pino “PB7” e selecione “TIM1_CH4”.

5. Em “Timers”, selecione “TIM1”. Habilite a fonte de clock como “Internal Clock”. Para o Channel 3 e Channel 4, selecione “PWM Generation”. Defina o valor do Prescaler para 48-1 e o Counter Period para 1000-1.

6. Ainda em TIM1, em parameter settings, observe as configurações da geração de PWM. Para esse exemplo deixaremos a configuração padrão. 

7. Por fim, gere o código em “Project” > “Generate Code”.

Código para controle PWM na Franzininho C0

1. Em Core > Src > main.c, na função principal, int main, adicionaremos a função HAL_TIM_PWM_Start responsável por iniciar a geração PWM.

HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3);	// Inicia Timer 1 para geração de PWM no canais 3 (PB6, LED1)
HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_4);	// Inicia Timer 1 para geração de PWM no canais 4 (PB7, LED2)

2. Vamos criar uma função chamada atualiza_largura_puslo_LEDS para ajustar a largura do pulso dos sinais PWM.

void atualiza_largura_puslo_LEDS(int start, int end, int step) {
   for (int i = start; i != end; i += step) {
       int LED1_pulse = i;
       int LED2_pulse = 1000 - i;
       __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, LED1_pulse); // (PB6, LED1)
       __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_4, LED2_pulse); // (PB7, LED2)
       HAL_Delay(1);
   }
}

Essa função recebe três parâmetros que determinam como a largura do pulso vai mudar ao longo do tempo: 

• start – o valor inicial para a variação do pulso
• end – o valor final do pulso
• step – o incremento ou decremento aplicado a cada iteração. 

Em cada passo do loop, duas variáveis são definidas: LED1_pulse, que é simplesmente o valor atual de i, e LED2_pulse, que é 1000 – i. Esses valores representam as larguras de pulso para os dois LEDs, fazendo com que, à medida que LED1_pulse aumenta, LED2_pulse diminua, e vice-versa.

Para ajustar os pulsos de PWM dos LEDs, utiliza-se __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_3, LED1_pulse) que ajusta a largura do pulso do canal 3 do temporizador htim1 para LED1_pulse e __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_4, LED2_pulse) que ajusta a largura do pulso do canal 4 para LED2_pulse.

Em resumo, essa função cria um efeito de variação de brilho nos LEDs. Se start for menor que end e step for positivo, LED1 aumentará seu brilho enquanto LED2 diminuirá, e vice-versa. Se start for maior que end e step for negativo, o comportamento será o oposto.

3. Lembre-se de declarar o protótipo da função atualiza_largura_puslo_LEDS  juntamente aos demais protótipos ao início do código. 

void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM1_Init(void);
void atualiza_largura_puslo_LEDS(int start, int end, int step);

4. Agora, no loop principal while, dentro de int main, adicione o seguinte:

 while (1)
 {
   /* USER CODE END WHILE */
   /* USER CODE BEGIN 3 */
	// Aumenta gradualmente a largura de pulso no LED1 e diminui no LED2
	atualiza_largura_puslo_LEDS(0, 1000, 1);


	// Diminui gradualmente a largura de pulso no LED1 e aumenta no LED2
	atualiza_largura_puslo_LEDS(1000, 0, -1);
 }
 /* USER CODE END 3 */

5. Na imagem abaixo, você pode ver o código que foi modificado.

Gravação:

Ao finalizar o código, vamos para a gravação. Nessa etapa você pode utilizar o ST-Link ou utilizar um cabo USB como apresentado em demais tutoriais desta série de artigos.

https://embarcados.com.br/serie/franzininho-c0-com-stm32cubeide

Funcionamento do controle PWM na Franzininho C0

Abaixo temos um vídeo mostrando o funcionamento do código criado neste exemplo. Perceba que conforme um LED aumenta seu brilho, o outro diminui. 

Conclusão

Neste artigo você aprendeu conceitos importantes sobre o funcionamento PWM e descobriu como configurá-lo no Franzininho C0 por meio de um exemplo prático para controle de brilho de LEDs.